Вихревая контактная ступень тепломассообменных аппаратов

Изобретение относится к контактным ступеням тепломассообменных аппаратов для проведения процессов ректификации, абсорбции, экстракции и может быть использовано в биотехнологии, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известны тарелки барботажного типа, например колпачковая, предназначенная для контактирования газа или пара с жидкостью, состоящая из тарелки, на которой размещены газовые патрубки, колпачки и сливные трубки (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. 10-е изд., стереотипное, доработанное. - с. 452. Перепечатано с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.).

Основным недостатком такой тарелки (ступени) является ее низкая эффективность и производительность по пару (газу), а также высокая металлоемкость.

Наиболее близкой по технической сущности является вихревая контактная ступень для контактирования газа или пара с жидкостью, включающая царгу, по высоте которой в чередующемся порядке расположены горизонтальные перегородки тарелок: верхние тарелки снабжены центральным переливным и внешним сливным стаканом, а нижние тарелки - внешним переливным стаканом и сливным патрубком, на горизонтальных перегородках тарелок размещены устройства для закрутки пара (газа), состоящие из тангенциально установленных профилированных пластин, закрытых верхней крышкой с контактным патрубком и нижней крышкой с образованием каналов для прохода пара (газа), причем концы у двух рядом расположенных профилированных пластин со стороны входа пара (газа) соединены между собой заглушкой с образованием канала для прохода жидкости, на верхних крышках устройств для закрутки пара (газа) установлены цилиндрические вставки коаксиально с контактными патрубками, образующие полость для образования столба жидкости, а на верхних крышках выполнено хотя бы одно отверстие, сообщающее канал для прохода жидкости с полостью для образования столба жидкости, а на верхних крышках со стороны выхода пара (газа) установлены конические отбортовки, направленные вниз по ходу перемещения пара (газа). (Патент РФ №2484876, МПК B01D 3/30. Вихревая контактная ступень для контактирования газа или пара с жидкостью / Войнов Н.А., Ледник С.А., Жукова О.П.; №2012109149/05; заявл. 11.03.12; опубл. 20.06.13, Бюл. №17 (II ч.). - 9 с.; 7 ил.).

Однако, и эта вихревая контактная ступень металлоемка, обладает низкой производительностью по жидкости и сравнительно низкой эффективностью массообмена. Низкая производительность обусловлена организацией на ступени последовательного перетекания жидкости через устройства для закрутки потока, что не позволяет подать большой расход жидкости на ступень, как это практикуется в контактных ступенях, взятых за аналог. При определенных нагрузках по жидкости происходит захлебывание вихревой ступени или выход ее из кольцевого режима в барботажный, что снижает эффективность массообмена, так как в этом случае жидкость, находящаяся в полости, образованной цилиндрическими вставками и контактными патрубками, не контактирует с газом или паром.

Изобретение решает задачу повышения эффективности массообмена между жидкостью и паром (газом).

Технический результат заключается в повышении эффективности массообмена за счет увеличения межфазной поверхности контакта и уменьшения не аэрированных (застойных) зон в жидкости, размещенной на ступени.

Указанный технический результат достигается тем, что в вихревой контактной ступени тепломассообменных аппаратов, включающей царгу, горизонтальную перегородку, переливной стакан, контактный патрубок, устройство для закрутки потока, состоящее из верхней и нижней крышек, профилированных пластин, снабженных заглушками, образующих каналы для прохода газа (пара), согласно изобретению, на нижней крышке под каждым каналом для прохода газа (пара) выполнены сквозные отверстия, сообщающие газовую полость под горизонтальной перегородкой с полостью каналов для прохода газа (пара), причем профилированные пластины с обоих концов снабжены отбортовками, изогнутыми по дуге окружности, концентричной дуге окружности контактного патрубка, образующими каналы для выхода газа (пара), а отношение площади поперечного сечения каналов для выхода газа (пара) с наружной стороны устройства для закрутки потока к площади поперечного сечения каналов для выхода газа (пара) с внутренней стороны устройства для закрутки потока задают равным f₁/f₂=1,5-10.

В предложенном устройстве (вихревая контактная ступень тепломассообменных аппаратов) газ или пар поступает в полость каждого канала для прохода газа через сквозные отверстия, выполненные в крышке, распределяется на два потока (расходами пропорциональными отношению площади сечения каналов f₁/f₂), выходящих затем из каналов для выхода газа с наружной и внутренней стороны устройства для закрутки газа, что обеспечивает вращение жидкости и высокую межфазную поверхность, как во внутренней полости устройства, так и в полости, образованной устройством для закрутки потока и контактным патрубком, что повышает эффективность массообмена. А выполнение на концах профилированных пластин отбортовок, изогнутых по дуге окружности концентричной дуге окружности контактного патрубка, обеспечивает максимальный момент вращения в контактном патрубке, так как поток направлен по касательной к поверхности контактного патрубка и энергия струй газа, выходящих из каналов, не затрачивается на преодоление сил вязкого трения в поперечном направлении движения в слое жидкости, а идет на дробление газа на пузырьки, что увеличивает межфазную поверхность контакта, а, следовательно, и эффективность массообмена между жидкостью и газом.

Выполнение на нижней крышке под каждым каналом для прохода газа сквозных отверстий, сообщающих газовую полость под горизонтальной перегородкой с полостью каналов для прохода газа, установка на концах профилированных пластин отбортовок, изогнутых по дуге окружности, концентричной дуге окружности контактного патрубка, а также выполнение отношения площади сечения каналов для выхода газа с наружной стороны устройства для закрутки потока к площади сечения каналов для выхода газа с внутренней стороны устройства для закрутки потока равным f₁/f₂=1,5-10 позволяет увеличить эффективность массообмена.

На фиг. 1 представлен общий вид вихревой контактной ступени тепломассообменных аппаратов.

На фиг. 2 представлен разрез вихревой контактной ступени тепломассообменных аппаратов по сечению А-А.

На фиг. 3 представлен элемент контактной ступени тепломассообменных аппаратов Б с фигуры 2.

Вихревая контактная ступень тепломассообменных аппаратов состоит из царги 1, горизонтальной перегородки 2, переливного стакана 3, контактного патрубка 4, установленного с зазором к поверхности горизонтальной перегородки, устройства для закрутки потока 5, состоящего из нижней крышки 6, верхней крышки 7, профилированных пластин 8 с заглушками 9, образующих каналы для прохода газа (пара) 10. На нижней крышке 6 под каждым каналом 10 выполнено сквозное отверстие 11, для прохода газа (пара), сообщающее газовую полость под горизонтальной перегородкой с полостью канала. На концах профилированных пластин 8 установлены отбортовки 12, отогнутые по дуге окружности, концентричной дуге окружности контактного патрубка 4 и образующие каналы 13 для выхода газа (пара) с наружной стороны устройства для закрутки потока в полость 14, образованную устройством для закрутки потока 5 и контактным патрубком 4, и каналы 15 для выхода газа (пара) с внутренней стороны устройства в полость 16, устройства для закрутки потока 5. Площадь поперечного сечения каналов 13 для выхода газа с наружной стороны устройства для закрутки потока 5 - f₁. Площадь поперечного сечения каналов 15 для выхода газа (пара) с внутренней стороны устройства для закрутки потока 5 - f₂.

Площадь сечения каналов рассчитывается по формуле f=n×b×h. Где n - количество отверстий с наружной или внутренней стороны устройства для закрутки потока; b и h - ширина и высота каналов для выхода газа.

При f₁/f₂<1,5 снижается перемешивание и межфазная поверхность в жидкости, размещенной в полости, образованной контактным патрубком и устройством для закрутки потока, что снижает массообмен на ступени.

При f₁/f₂>10 снижается перемешивание и межфазная поверхность в жидкости, размещенной во внутренней полости устройства для закрутки потока.

Геометрические параметры устройства для закрутки пара (газа). Радиус отбортовок R=0,05-0,35 м. Ширина каналов для выхода газа 0,5-40 мм. Диаметр контактного патрубка 0,1-0,5 м.

Вихревая контактная ступень тепломассообменных аппаратов работает следующим образом. Рабочая жидкость подается через переливной стакан 3 на горизонтальную перегородку 2 и поступает в полость 14, образованную контактным патрубком 4 и устройством для закрутки потока 5 (на фиг. 1 для упрощения показан один элемент контактного патрубка) и в полость 16 устройства для закрутки потока. Газ (пар) из полости под горизонтальной перегородкой поступает в сквозные отверстия 11 и в каналах для прохода газа 10 разделяется на два потока один из которых перемещается по каналам 13, а второй по каналам 15 и поступают затем соответственно в полости 14 и 16, обеспечивая вращательное движение жидкости в них, дробление струй газа (пара), высокую межфазную поверхность, а, следовательно, высокий массообмен между жидкостью и газом (паром).

Использование заявляемой вихревой контактной ступени тепломассообменных аппаратов позволяет увеличить эффективность массообмена, что снижает капитальные и текущие затраты, а, следовательно, и себестоимость выпускаемого продукта.